文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了IC芯片中聚合物基板的鍵合效果優(yōu)化。

研究發(fā)現(xiàn)，在IC芯片上的有源區(qū)內(nèi)進行熱超聲鍵合的最佳聚酰亞胺具有最高的彈性模量E，彈性模量即應(yīng)力除以應(yīng)變且需低于彈性極限。這一材料性能與聚合物的剛性相關(guān)，因此鍵合過程中材料形成的凹杯或壓痕也與彈性模量有關(guān)。對于各向異性材料，壓縮模量能更好地反映柔軟性，但拉伸模量通常是唯一可測量的模量特性。鍵合過程中，無支撐的焊盤和聚合物的總形變見圖1，這種形變會吸收相當(dāng)多的超聲能量，還可能導(dǎo)致鍵合焊盤金屬與聚合物的分層或開裂。表1給出了幾種聚合物基材的彈性模量數(shù)值，其范圍為0.5~30GPa，較高的彈性模量來自較硬的材料，這類材料能為鍵合焊盤提供更好的支撐，從而預(yù)防鍵合過程中凹杯現(xiàn)象的發(fā)生。低模量的聚合物則需要更厚的硬金屬層，例如4~12um的Ni層，同時還需更大面積的鍵合焊盤，以阻止其在鍵合載荷作用下沉入軟聚合物中。為與聚合物進行對比，表2給出了常用作組合鍵合焊盤金屬的材料性能。值得注意的是，Ti的模量過低，難以解釋其在硅芯片聚酰亞胺上A1焊盤支撐方面的成功應(yīng)用。不過屈服強度和硬度均能體現(xiàn)鍵合焊盤預(yù)防鍵合過程中塑性形變(凹杯)的能力，將屈服強度應(yīng)用于有限元模型后，仿真結(jié)果與觀察到的凹杯結(jié)果基本一致，具體見圖1。

從表2中可明顯看出，電鍍和化學(xué)鍍Ni層與Cu層的屈服強度和硬度均有較寬范圍。因此對于給定的金屬厚度，凹杯程度取決于所使用金屬薄膜的特定屬性，例如含1%~3%P的化學(xué)鍍Ni層，其屈服強度遠高于含8%~12%P的化學(xué)鍍Ni層。超聲能量對聚合物和金屬層軟化的定量作用目前仍是主要未知項，相關(guān)可用資料十分有限。Al、Cu和Au在超聲能量作用下會顯著軟化，因此容易實現(xiàn)鍵合焊接;而Ni、Ti和W在常規(guī)超聲鍵合能量密度下不會軟化，可在鍵合過程中形成剛性良好的平臺。Ni的屈服強度和硬度低于Ti和W，但高于Cu，因此需要更厚的Ni層才能使鍵合焊盤變硬，通常為3~8um，而Ti層或Ti-W層僅需0.3~0.5um即可。需要注意的是，細節(jié)距焊盤上過厚的鍍Ni層可能產(chǎn)生結(jié)節(jié)或圓形鍵合表面，進而降低自動鍵合的良率。

許多HPS基材具有各向異性(定向)特性，且其性能會隨填料或?qū)訅侯愋妥兓?，例如部分PTFE基板，含微粒填充(陶瓷或玻璃)時，23°C下的壓縮模量約為1GPa，而含玻璃織物填充時，23°C下的壓縮模量約為10GPa，這種含玻璃織物填充的PTFE基板更適合引線鍵合。在某些場景下，例如撓性PI和部分填充聚合物基板，金屬膜層會通過不同的聚合物粘接到基板上，常用的粘合聚合物為丙烯酸，其T.約為45~55°C，且粘合層厚度可達25um左右。各類聚合物基膠水的熱力學(xué)性能相對較低，不僅T.和熔點不高，模量也不足PI膜層的50%，這些性能會限制引線鍵合溫度，還會影響其他鍵合特征，其影響程度不亞于基板本身的性能。此外，焊盤下方膠層中殘留的微小氣泡可能會抑制引線鍵合。通常聚合物基板的組裝人員難以獲得膠層的材料特性，購買基板時也往往不會考慮這些性能。雖然有高T.的膠水可供選擇，但對于引線鍵合而言，直接鍵合的Cu層比通過聚合物膠水粘接到撓性基板上的Cu層效果更好。

高溫下進行TS鍵合時，需重點考慮基板的溫度特性。當(dāng)溫度達到聚合物的T.時，材料模量會降低，整體變軟，這會減小相對較軟或較薄金屬層焊盤的動態(tài)下沉阻力，進而影響鍵合效果。圖2展示了最常用的PC板材料——低溫FR-4在溫度高于T.時的軟化示例。其他環(huán)氧基板材雖無相應(yīng)數(shù)據(jù)，但軟化曲線形狀應(yīng)與之類似，且會隨T.的提高向更高溫度偏移。需要注意的是，F(xiàn)R-4板在150°C及以上時，模量約為15.5GPa，遠高于PTFE板和撓性或沉積態(tài)膜層的PI。不過嵌入的玻璃纖維會限制模量曲線右側(cè)的最低值，若沒有玻璃纖維支撐，其模量僅為幾GPa，典型PCB的橫截面見圖3。

目前需要一種更能反映鍵合焊盤凹杯阻力的測量方法。各向異性材料的壓縮模量優(yōu)于拉伸彈性模量，但即便如此也并非最佳測量方法。若小鍵合焊盤恰好位于玻璃纖維集束間的空隙區(qū)域，參考圖3，當(dāng)溫度高于T.時，該區(qū)域的基板會局部變軟，而常規(guī)的模量測量無法發(fā)現(xiàn)這一問題。更優(yōu)的測量方法是，在給定力的作用下，記錄球形探頭在鍵合焊盤、膠膜層(若有)和聚合物基板上的凹陷深度，且需將凹陷深度作為溫度的函數(shù)進行測量，這種方法比單獨測量聚合物基板的模量更能反映與引線鍵合相關(guān)材料的整體性能。

鍵合優(yōu)化

在聚合物基板上改善鍵合效果的另一種方法是使用更細線徑的引線，例如18um線徑相較于25um線徑，若進行球形鍵合還可形成更小的焊球。這些改進能允許使用更低的鍵合參數(shù)(力/功率)，從而減少動態(tài)凹杯現(xiàn)象，其他條件保持不變。若采用US A1楔形鍵合，使用更軟的線材也能達到相同效果，25um線徑的A1絲中，拉斷力為12~14g的線材比16~18g的更軟，同時選用更小線徑的線材也可實現(xiàn)這一目標(biāo)。一般來說，由于聚合物會發(fā)生軟化，尤其是金屬層下方有膠層的情況下，室溫下采用A1絲進行楔形鍵合，比高溫下采用金絲進行楔形或球形鍵合更為容易。此外，加熱階段將熱量傳導(dǎo)通過較厚的玻璃填充聚合物，并在特定區(qū)域獲得均勻溫度分布，過程既緩慢又困難。

不過在做出決策前，需考慮聚合物的特殊材料性能。通常在25°C時，無需特殊厚度或硬度的鍵合焊盤結(jié)構(gòu)，即可在環(huán)氧層壓基板(例如FR-4)上實現(xiàn)A1楔形鍵合。下沉問題與小焊盤鍵合相關(guān)，下沉過程會動態(tài)改變界面上的鍵合力，直至達到穩(wěn)定狀態(tài)，如前文所述，延遲施加US功率時間可改善這一問題，對于每種接近T.鍵合溫度的基板，延遲時間需通過經(jīng)驗確定。

研究人員已將聚酰亞胺類型基板焊盤上的楔形鍵合參數(shù)，與陶瓷基板焊盤上的鍵合參數(shù)進行對比。若所有設(shè)備參數(shù)保持不變，與常規(guī)陶瓷基板鍵合相比，低模量基板上的鍵合拉力強度值更低。其他示例顯示，在IC芯片PI上的A1焊盤進行球形鍵合時，即便焊盤下方有0.5um厚的Ti層，也需要更高的鍵合力，約為110gf，而常規(guī)陶瓷基板上僅需80gf。此外研究發(fā)現(xiàn)，90um厚PI上的Au/Cu焊盤(無硬Ni層)，鍵合時間需350ms且需更大功率，而陶瓷基板上的鍵合時間僅需50ms。較長的鍵合時間可使大部分焊接發(fā)聲延遲，直至下沉或載荷引發(fā)的凹杯現(xiàn)象穩(wěn)定。若鍵合工具觸地后，鍵合機無延遲施加US能量的調(diào)節(jié)時間，延長鍵合時間便是另一種可行選擇。

在非常軟的基板上實現(xiàn)大批量、高良率的引線鍵合，可能需要結(jié)合多種方法，包括使用高頻能量、采用為鍵合優(yōu)化的焊盤金屬層(即軟質(zhì)可鍵合金層)、合理設(shè)置DOE-鍵合機參數(shù)、延遲施加US能量，以及鍵合前進行等離子體或UV-臭氧清洗。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，需充分理解所有常規(guī)鍵合的可靠性和良率相關(guān)問題。